分析有关电机轴电流的相关问题

　　电动机轴电压的产生
　　（1）磁路不对称
　　磁路不对称引起的轴电压是存在于发电机轴两端的交流型电压。由于定子铁芯采用扇形冲压片、转子偏心、扇形片的磁导率不同以及冷却和夹紧用的轴向导槽等发电机制造和运行原因引起的不对称，产生交链转轴的交变磁通，在发电机大轴两端产生电位差。这种交流轴电压一般为1～10V，但具有较大的能量。如果不采取有效措施，轴电压经过轴轴承机座等处形成一个回路，由于回路阻抗低，产生很大的轴电流。
　　（2）电动机整流和逆变系统的电容耦合作用
　　大型汽轮发电机组普遍采用静态励磁系统。静态励磁系统因晶闸管整流引入了一个新的轴电压源。静态励磁系统将交流电压通过静态晶闸管整流输出直流电压供给发电机励磁绕组，此直流电压为脉动型电压。对于采用三相全控桥的静态励磁系统，其励磁输出电压的波形在1个周期内有6个脉动。这个快速变化的脉动电压通过发电机的励磁绕组和转子本体之间的电容耦合在轴对地之间产生交流电压。此种轴电压呈脉动尖峰，其频率为300Hz（励磁系统交流侧电压频率为50Hz），它叠加到磁路不对称引起的轴电压上，使油膜承受更高的尖峰电压，在增大到一定程度时击穿油膜，形成电流而造成机械部件的灼伤和损坏。
　　（3）静电效应
　　在汽轮机内部，高速流动的湿蒸汽与汽轮机低压缸叶片摩擦在汽轮机低压缸内产生的直流型电压。这种静电效应并非经常存在，在某种蒸汽条件下才能出现。随着运行工况的不同，这种性质的轴电压有时会很高。转子绕组一点接地以及润滑油与油管之间的摩擦带电也产生类似的直流型电压。
　　（4）轴向磁通及剩磁
　　发电机中存在各种环绕轴的闭合回路，如集电环装置和转子端部绕组，在设计考虑不周或转子绕组发生匝间短路时，它们的磁动势不能相互抵消，就会产生一个轴向的剩余磁通，该磁通经轴、轴承和旋转电机的底板而闭合。此外当发电机严重短路或其他异常工况下，经常会使大轴、轴瓦、机壳等部件磁化并保留一定的剩磁。磁力线流经轴瓦，当机组大轴转动时，就会产生电动势，称为单极电动势。单极效应产生的轴电压表现为直流分量，并随负载电流而变化。
　　电动机轴电流的产生
　　1、磁不平衡产生轴电压 电动机由于扇形冲片、硅钢片等叠装因素，再加上铁芯槽、通风孔等的存在，造成在磁路中存在不平衡的磁阻，并且在转轴的周围有交变磁通切割转轴，在轴的两端感应出轴电压。
　　2、逆变供电产生轴电压 电动机采用逆变供电运行时，由于电源电压含有较高次的谐波分量，在电压脉冲分量的作用下，定子绕组线圈端部、接线部分、转轴之间产生电磁感应，使转轴的电位发生变化，从而产生轴电压。
　　3、 静电感应产生轴电压 在电动机运行的现场周围有较多的高压设备，在强电场的作用下，在转轴的两端感应出轴电压。
　　4、外部电源的介入产生轴电压由于运行现场接线比较繁杂，尤其大电机保 护、测量元件接线较多，哪一根带电线头搭接在转轴上，便会产生轴电压。
　　5、其他原因 如静电荷的积累、测温元件绝缘破损等因素都有可能导致轴电压的产生。 轴电压建立起来后，一旦在转轴及机座、壳体间形成通路，就产生轴电流。
　　上一期中，我们介绍了低频谐波的问题。接下来，我们给大家分析一下有关电机轴电流的相关问题。
　　1.轴电流形成的原因
　　由逆变器功率器件 IGBT 的快速通断形成的陡峭电压边沿通过电机内的寄生电容产生干扰电流。基于此，干扰电流将流过电机轴承。最坏的情况就是，轴电流达到较高值，损坏轴承，减小轴承使用寿命。
　　电机内部寄生电容框图及其等效电路图
　　1）注：当润滑油膜具有绝缘作用时，轴承阻抗可表达为容性 Cb。但随着轴承电压的升高导致润滑油膜击穿，轴承阻抗表现为类似于非线性的电压相关的阻性 Zn。电阻 Rb 为轴承滑环与滚动组件间的纯电阻性阻抗。
　　2.轴电流类型
　　电机集成到驱动系统的方式及其轴电流类型
　　环电流：
　　开关电压边沿变换在绕组与机壳的电容（Cwh）之间以及对地都将产生高频容性漏电流，这类漏电流将导致电机内的磁场不均匀分布，从而感应出高频轴电压Vshaft。当电机轴承上的润滑油膜的绝缘性寄生电容不能承受轴电压而击穿，容性环流形成，其路径：电机轴→非驱动侧轴承（NDE 轴承）→电机机壳→驱动侧轴承（DE 轴承）→电机轴。由于环电流大小取决于绕组与机壳之间的寄生电容 Cwh，所以随电机轴高增加而增加，对于轴高在 225 以上（包括 225）的电机，这将是主要的轴电流类型。
　　EDM电流：
　　电机 3 相定子绕组对地的陡峭电压边沿通过与转子间的寄生电容 Cwr 对轴承寄生电容 Cb 进行充电。这样电机轴和轴承上的电压时间特性将是附加于定子绕组3相对地电压的镜像。
　　三相PWM逆变器输出共模电压
　　一般在标准电机中，轴及轴承电压为电机绕组相对地平均电压的 5%。
　　最坏的状况，轴电压高到击穿润滑油膜，那么 Cb 和 Crh 将以很短的高电流脉冲形式放电。这个电流脉冲称为 EDM 电流（静电放电电流）。
　　转子轴电流
　　电机绕组与机壳之间的寄生电容 Cwh 流过的高频容性“漏电流”所引起的环流必然回流至变频器。若电机机壳对于高频干扰电流不具备良好的接地，那么电机绕组与接地系统之间，对于高频漏电流来讲呈现高阻抗，从而产生较高的电压降 VHousing。若连接的齿轮箱或驱动机械设备对于高频干扰电流来讲具有良好的接地，那么干扰电流将通过较低的阻抗路径回流：电机轴承上的防护罩→电机轴→机械耦合装置→齿轮箱或驱动机械设备到接地系统，再到变频器。此类轴电流对电机轴承，齿轮箱及机械设备将产生很大的损伤。
　　3.现场案例
　　Case1轴电流对电机轴承的影响：
　　问题描述：某汽车内饰材料生产厂离心风机采用西门子1LE0系列电机（容量315kW），变频器采用G130（400kW）。风机运行时有异响，判断为电机轴承损坏。在更换轴承2个月后，再次出现同样情况。
　　Case2轴电流对轴端编码器的影响：
　　问题描述：现场有些减速电机产品在运行近一年左右， S120 驱动器陆续报出编码器信号故障，经检查电机配套的编码器发现编码器的轴承润滑脂失效，保持架损坏。 将编码器发给制造商检查后，厂家给出的结论是编码器轴承受到电流腐蚀导致最终故障。
　　4．案例分析
　　两个case典型共同的问题在于转子轴电流。由于电机机壳的等电位连接的高频特性不好，高频阻抗较高，高频漏电流机壳上形成较高电位，从而在驱动系统组件中，包括轴承，机械设备，编码器等，由此造成不等电位设备或组件之间的平衡电流（高频漏电流）从而损坏设备。
　　5.典型解决方案
　　· 驱动系统中满足 EMC 安装的优化等电位连接
　　［0］；传统接地系统。采用了标准高功率 PE 导体，不具备高频特性，仅保证低频等电位连接，以及防护接地。［2］，［3］，［4］，［5］：具有高频特性的等电位连接，需要紧固最大面积连接，以提供高频低阻抗路径。
　　所有驱动系统的组件（变压器，变频器，电机，齿轮箱以及机械设备）处于同一的电位，
　　等电位连接的几个目的：
　　①防止驱动系统内不同组件由于不等电位造成的平衡电流；
　　②将高频干扰漏电流提供具有高频低阻抗回路，使之以最短路径返回至干扰源（变频器），防止形成驱动系统内组件间的共地回路传导干扰；
　　③将驱动系统内的干扰漏电流“锁”在本系统中，不至“外泄”至其他系统等。
　　· 电机非驱动侧采用绝缘轴承
　　绝缘的 NDE 通过增加环流路径：电机轴→ NDE 轴承→电机机壳→DE 轴承→电机轴的阻抗可大大减小容性环流。由于环流大小随电机轴高增加而增加，对于大型电机来讲，十分有必要在非驱动侧安装绝缘轴承。
　　在安装编码器系统中，必须确保编码器与电机轴承之间的绝缘安装。
　　· 电机轴接地采用接地探刷
　　轴接地探刷由于缩短了轴承与地的距离，这样可大大减小轴电流。
　　· 变频器输出侧采用电抗器或滤波器
　　根据实际现场情况选择合适的输出滤波器或电抗器等。
　　· 电源系统的性质改变
　　当运行于 IT 系统时，变压器中性点不直接连接到地。本质上，接地连接为纯容性质的，回路阻抗对于流过的高频共模电流形成高阻抗，从而大大减小功率电流和轴电流。对于减小轴电流影响来讲，IT 系统较之接地 TN 系统有优势。
　　Case1的问题解决：
　　检查处理现场的接地及等电位连接外，还采取如下措施：
　　在驱动侧与非驱动侧加装绝缘轴承
　　在电机驱动侧加装接地碳刷
　　Case2的问题解决
　　检查处理现场的接地及等电位连接外，还采取如下措施：
　　将编码器固定支架与编码器外壳之间进行绝缘处理
　　6.总结
　　从上述现场实际case可以看到，对于轴电流的影响，就是要解决高频漏电流的路径。如何导引、阻断等手段实现对漏电流的路径控制是解决轴电流的根本思路。通过现场实际的设备状态确定轴电流的性质，从而采用相应的措施。
　　由于EMC问题的复杂性，分析与处理方法可能会有不同和不足，对于实际问题的分析，希望能抛砖引玉，深入讨论，以利进一步处理实际工程问题。